基于 80c196 單片機的多生命參數監護儀用呼吸檢測
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摘 要：
介紹了一種用于多生命參數病人監護儀中的呼吸檢測電路。它采用呼吸阻抗法原理，利用心電電極采集呼吸波信號，并將呼吸波信號送入80c196單片機內的A/D轉換為數字信號，計算出呼吸頻率，同時在LCD上顯示。
隨著傳感技術和電子技術的發展，病人監護儀正廣泛應用于臨床監護中。傳統的監護儀由于監護參數單一，功能簡單，體積較大而僅局限于手術過程和ICU病房的監護，限制了其使用價值，不能滿足所有臨床科室的使用。為此，我們開發了一套小型化、低功耗的多生命參數病人監護儀，它能長時間實時監護病人的心電（ECG）、呼吸（RESP）、血氧飽和度（SPO2）、血壓（BP）和體溫（Temp)。異常情況下，如導聯脫落，能自動報警提醒醫生注意。同時，該設備還能通過RS232接口實現計算機通訊，并逐步實現多臺病人監護儀的網絡化，以滿足所有臨床科室的應用需要。
１ 監護儀用呼吸檢測電路原理
監護儀用呼吸檢測電路是利用呼吸阻抗法原理。它借用測量心電的胸部監護電極，采用高頻激勵脈沖使呼吸波信號調制在其之上，然后對被調制信號進行解調、放大、濾波，獲得清晰、穩定的呼吸曲線，電路原理框圖如圖１所示。
圖1中的LL和RA分別代表心電電極中的左腹部電極和右上胸電極。EN是控制信號，由80C196C單片機控制。當EN是低電平時，高頻激勵脈沖發生電路不產生脈沖，本電路不工作；當EN為高電平時，高頻激勵脈沖發生電路將高頻激勵電壓通過心電電極LL和RA加在人體上，注入安全電流，而兩電極之間由于呼吸產生的阻抗變化所引起的電信號就調制在高頻激勵脈沖之上。該調制信號經過解調、放大、濾波以后所得到呼吸波信號RESP。最后將RESP信號送入 CPU，由CPU計算出呼吸頻率。為了保證病人的電氣安全，該電路采用高能電池供電，故不需要光電隔離電路耦合。
２ 高頻激勵電壓發生電路原理
如圖２所示，EN是控制系統送來的呼吸測量使能信號，當不需要檢測呼吸信號時，控制系統將EN置為低電平，D觸發器不工作，輸出Q和Q保持高或低電平，由于電容C的隔直作用，此時沒有激勵電壓加于人體，當需要檢測呼吸信號時，EN置為高電平，D觸發器對振蕩器產生的125kHz方波進行二分頻，得到5V （或-5V）的62.5kHz的方波。在方波的每個周期中，C3,C4通過LL和RA之間的人體電阻即呼吸阻抗Rb及R3,R4兩個固定電阻充放電，其等效電路圖如圖３所示。
圖中Rb為人體阻抗，由生物阻抗的頻散理論可知，在62.5kHz附近頻帶，人體阻抗呈近似純電阻特性，幾乎無膜電容影響，10Ω～10kΩ量級。取Ｒ3 =Ｒ4=30kΩ，C3=C4=1000pf。這樣，流經人體的最大電流約為0.08mA，屬于安全電流范圍，并且該電路的時間常數τ約為32μs，而方波周期Ｔ約為16μs。故每次充放電都不完全，A1、B1二點電位，其波形圖見圖4。
由于呼吸使胸廓擴張使得Rb按呼吸頻率變化，其變化范圍0.1～0.3Ω，相對Q來說為慢變信號，則在每個Rb的變化周期內，隨著Rb的變化引起的等效電路時間常數的微弱變化使得B1，B2點電位隨Rb的變化而變化，并且每一瞬間B1與Ｂ２點的電位差的絕對值Ub(t)與Ｒｂ成正比。這樣呼吸信號Ub (t)就相當于調制在62.5kHz的載波上，調制方式為調幅。從而與電頻的心電信號相區別。只要能夠獲取Ub(t)的波形，就可以得到呼吸波信號。
３ 前置放大器
如前所述，心電信號和調制有呼吸信息的高頻脈沖信號均從心電電極（LL和RA）上提取。由于心電信號和呼吸信號都非常微小，因此在解調和濾波之前應先將小信號放大，以便于解調和濾波。這部分工作由前置放大器完成。
根據心電信號和呼吸信號的特點，要求前置放大器應具有低噪聲、低漂移、低功耗、高共模抑制比的性能。為此，筆者選用了AD620作為前置放大器。如圖5所示。
４ 解調處理電路
經過AD620前置放大輸出的信號中，含有呼吸信號經調幅調制后的信號。為了獲得人體呼吸阻抗的信息，需要將該信號解調。這一部分的工作就由解調處理電路來完成。解調電路采用二極管檢波電路。
圖6為全波整流電路，也稱絕對值電路。它由半波整流電路和加法電路組成。其調幅檢波是利用二極管的單向導通性。
當VI＞0時，D1導通，D2截止，電壓VA=-VI，此時整流電路輸出電壓Vo=VI；
當VI＜0時，D1截止，D2導通，電壓VA=0，此時，整流過程與A1無關，整流電路的輸出電壓Vo=-VI＞0。
由此可見，該電路的輸出Vo=|Vi|，可單邊檢出調制信號。
５ 放大濾波電路
含有人體呼吸阻抗信息的信號經解調后，含有大量的直流分量和高頻噪聲，需要進行高通和低通濾波。同時，經解調后的信號僅為毫伏級，故需進一步放大處理。為此，該部分設計框圖如圖７所示。
濾波電路采用了無源RC高通和BUTTERWEALTH二階低通。放大采用了兩級放大。
以上介紹的多參數監護儀用呼吸檢測電路已經與心電檢測電路相級聯，經過對4組不同年齡、性別的樣本實驗證明，該電路能夠實時顯示出清晰，穩定的呼吸波 RESP信號，并且同心電信號部分互不干擾。該電路具有低功耗、便攜、廉價的優點，完全滿足多參數生命監護儀用要求。在該監護儀中，將RESP信號經過整形后送入80C196單片機的片內A/D轉換器轉換為數字信號，計算出呼吸頻率，并與相應的軟件相匹配實現儀器的人工智能，從而實現實時監護病人的呼吸信號，在LCD顯示器上實時顯示呼吸頻率以及在呼吸異常時實時報警等監護要求。
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